Entender a diferença entre energia interna (U), trabalho (τ) e calor (Q). Saber o que é uma máquina térmica e saber aplicar o Princípio da Conservação da Energia (ou 1^a Lei da Termodinâmica) a essa máquina térmica.

Temperatura na escala Celsius e Absoluta (ou Kelvin), estados físicos da matéria, calor, pressão, volume, Lei de Boyle, Lei de Charles, Lei de Charles/Gay-Lussac e gases perfeitos.

Temperatura na escala Celsius e Absoluta (ou Kelvin), estados físicos da matéria, calor, pressão, volume, Lei de Boyle, Lei de Charles, Lei de Charles/Gay-Lussac e gases perfeitos.

Comece, antes de qualquer explicação, apresentando para os alunos um dispositivo muito simples chamado Máquina de Heron. Esse dispositivo pode ser facilmente construído pelo próprio professor em sua casa e levado para sala de aula.

O roteiro completo para construção da máquina, usando-se materiais de baixíssimo custo, encontra-se em: http://www.fisicalegal.org/Resources/Heron/heron.html.

A Figura 1 representa a máquina após montada. A Figura 2 representa uma Máquina de Heron mais sofistica e fixada em um dispositivo que torna simples seu manuseio. Após montada a sua máquina, fixe-a tal qual mostrado na Figura 2 deixando espaço para a vela abaixo dela, de modo que a chama entre em contato com o bulbo da lâmpada.

Figura 1 – Máquina de Heron construída pelo professor.

(Fonte:http://www.fisicalegal.org/Resources/Heron/montado.gif)

Figura 2 – Máquina de Heron mais sofisticada.

(Fonte:http://2.bp.blogspot.com/_EkoDqsYpQ0s/So01aBFCqwI/AAAAAAAAAF8/2g053XQ1qD0/s1600-h/DSC_0027.JPG)

Coloque pouca água na lâmpada e ascenda a vela. Diga para eles que esta é umas das máquinas térmicas mais simples e mais antiga que existe. Espere o início do movimento (giro) e faça para os alunos a seguinte sequência de perguntas, uma de cada vez, sempre ouvindo as respostas e discutindo a melhor delas com eles. Se nenhum aluno der a resposta certa para alguma das perguntas, dê você mesmo a resposta e depois a discuta com eles:

1) porque a máquina gira somente para um lado?

2) segundo as Leis de Newton, aprendidas na 1^a série, qual o princípio que faz a máquina girar?

3) levando-se agora em consideração a teoria sobre gases perfeitos, o que faz a máquina girar?

Após essa discussão, comece então a parte teórica da aula, apresentando os conceitos de energia interna (U), trabalho (τ) e calor (Q).

Para a energia interna U, mostre a fórmula U = ( 3nRT)/2, e deixe claro que U varia de maneira direta com a temperatura (T). Diga então que, fisicamente falando, quando a chama da vela entrou em contato com o bulbo da lâmpada, que continha água, está água esquentou (recebeu um calor Q) que fez aumentar a energia interna U do sistema (energia de translação das partículas de água). A água transformou-se então em vapor, que aumentou a pressão interna do bulbo, procurando um caminho de saída (pelos tubos). Ao sair, realizou um trabalho τ (provocando o giro do sistema).

Deixe claro que a variação da energia interna de um sistema (ΔU) pode ser positiva (ΔU > 0) ou negativa (ΔU < 0), ou seja, pode-se fornecer energia térmica para um sistema e aumentar sua energia interna (que é o que foi feito para a Máquina de Heron), mas pode-se também retirar energia térmica de um sistema (resfriá-lo) e diminuir assim sua energia interna, que é o que vai acontecer quando se retirar a vela debaixo do bulbo.

Pergunte agora para os alunos se eles conseguem estabelecer, mesmo que de maneira imprecisa, a relação que existe entre essas três variáveis, U, τ e Q. Diga para eles levarem em consideração a observação que fizeram sobre o funcionamento da Máquina de Heron.

Se algum aluno acertar enuncie a 1^a Lei da Termodinâmica com base na sua resposta. Se não, enuncie assim mesmo a 1^a Lei da Termodinâmica e a explique tendo como base a observação que fizeram sobre o funcionamento da Máquina de Heron.

Mostre ao final a equação que relaciona as três variáveis: ΔU = Q - τ_gás.

Deixe claro agora para eles que esta 1^a Lei nada mais é que a aplicação do velho e conhecido Princípio da Conservação da Energia aplicado à Termodinâmica.

Dê vários exemplos de outras máquinas térmicas existentes como a locomotiva e o barco a vapor, o motor de um automóvel, uma usina nuclear ou termoelétrica.

Termine explicando o funcionamento da usina nuclear e mostre que ela nada mais é que uma Máquina de Heron um pouco diferente e sofistica, onde o vapor faz as pás de uma turbina geradora de energia elétrica girarem para geração de eletricidade. Este esquema pode ser visto animadamente em http://www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php?idSecao=2&idCategoria=19, ou, se não for possível levar os alunos até um computador, o esquema pode ser explicado pelo professor usando-se a Figura 3 abaixo.

Figura 3 - Esquema básico de uma usina nuclear.

(Fonte: http://www.projectpioneer.com/mars/images/angra.gif)

Máquina de Heron

Máquinas térmicas

Aprenda mais sobre a 1^a Lei da Termodinâmica:

WikiLivros: http://pt.wikibooks.org/wiki/Curso_de_termodin%C3%A2mica/Primeira_lei_da_termodin%C3%A2mica

InfoEscola: http://www.infoescola.com/fisica/primeira-lei-da-termodinamica/

ColaDaWeb: http://www.coladaweb.com/fisica/termologia/termodinamica

Alkimia: http://alkimia.tripod.com/cientificos/1_lei.htm

NEWTON, V.B; HELOU, R.D.; GUALTER, J.B. Tópicos de Física 2 – Termologia, Ondulatória e Óptica. São Paulo: Editora Saraiva, Vol. 2, 448p., 18^a Ed., 2007.

Elabore questões teóricas e práticas sobre esse assunto. Nas questões teóricas explore os conceitos de calor, pressão, volume e temperatura que explicam o funcionamento das máquinas térmicas. Nas questões práticas faça os alunos realizarem cálculos que envolvam a equação que explica matematicamente a 1^a Lei: ΔU = Q - τ_gás.